[發(fā)明專(zhuān)利]一種針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的多無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011066438.1
• 申請(qǐng)日: 2020-09-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112130587A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 辛斌;蔣金強(qiáng);竇麗華;陳杰;楊慶凱;王晴;許萌
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/10
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/10;G05D1/12
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 11120
• 代理人: 李?lèi)?ài)英;付雷杰

本公開(kāi)的一種針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的多無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤方法，通過(guò)初始化多無(wú)人機(jī)和機(jī)動(dòng)目標(biāo)的狀態(tài)信息，柵格化環(huán)境地圖，得到以柵格勢(shì)能量化的柵格地圖；多無(wú)人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化策略，采用A*算法實(shí)現(xiàn)基于柵格勢(shì)能對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行全路徑覆蓋搜索，當(dāng)當(dāng)前柵格的相鄰柵格的柵格勢(shì)能相同時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)路徑規(guī)劃規(guī)則進(jìn)行全路徑覆蓋搜索；搜索到機(jī)動(dòng)目標(biāo)，將多無(wú)人機(jī)的搜索任務(wù)切換為跟蹤任務(wù)；如果機(jī)動(dòng)目標(biāo)全部被跟蹤，任務(wù)完成，否則繼續(xù)搜索，直到所有機(jī)動(dòng)目標(biāo)被跟蹤。能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的多次全路徑覆蓋需求、實(shí)現(xiàn)含禁飛區(qū)域的野外目標(biāo)環(huán)境的搜索任務(wù)、及多無(wú)人機(jī)在面對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)變速和快速轉(zhuǎn)向時(shí)進(jìn)行快速?zèng)Q策，提高對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)屬于地面機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的多無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤方法。

背景技術(shù)

針對(duì)地面機(jī)動(dòng)目標(biāo)的無(wú)人機(jī)觀(guān)測(cè)問(wèn)題是一個(gè)NP-hard(Nondeterministicpolynomial hard，非確定性多項(xiàng)式)問(wèn)題，最早由Parker和Emmons提出。Cyril Robi等人對(duì)地面機(jī)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和跟蹤的近幾年的研究進(jìn)行了整體的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)RyanK.Williams和Ashish Macwan等人提出了多無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤單個(gè)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的解決方案，Anton Milan等人提出了多無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤多機(jī)動(dòng)目標(biāo)的解決方案。其中，多無(wú)人機(jī)的協(xié)同搜索與跟蹤多機(jī)動(dòng)目標(biāo)，為了增加所有機(jī)動(dòng)目標(biāo)的觀(guān)測(cè)時(shí)間，從而持續(xù)觀(guān)測(cè)多機(jī)動(dòng)目標(biāo)的狀態(tài)信息。Pei Li等人開(kāi)發(fā)了一種用于多無(wú)人機(jī)協(xié)同搜索和跟蹤的博弈論方法。新加坡南洋理工大學(xué)WeiMeng等人對(duì)多無(wú)人機(jī)的集成協(xié)同搜索、任務(wù)分配以及協(xié)同跟蹤問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，提出一種有效的搜索算法。

Amna Khan等人通過(guò)調(diào)研介紹了目前CPP(Coverage path planning，全覆蓋路徑規(guī)劃)的最新進(jìn)展，現(xiàn)有局限性以及未來(lái)的研究方向。Taua Cabreira等人重點(diǎn)針對(duì)無(wú)人機(jī)的全覆蓋路徑規(guī)劃進(jìn)行分析，調(diào)研了基于幾何飛行模式和更復(fù)雜的網(wǎng)格為基礎(chǔ)的解決方案，并根據(jù)無(wú)分解、精確細(xì)胞分解和柵格分解等經(jīng)典分類(lèi)方法法進(jìn)行研究。

Hongda Chen提出了一種用于單個(gè)無(wú)人機(jī)跟蹤單個(gè)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃算法，可以表述為一個(gè)由系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、一組邊界條件、控制約束和成本準(zhǔn)則組成的最優(yōu)控制問(wèn)題。Quintero S研究了兩架無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤地面單個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)路徑選擇問(wèn)題。無(wú)人機(jī)是小型固定翼飛機(jī)，以恒定速度和固定高度巡航，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法及地理定位誤差協(xié)方差最小的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制策略，控制無(wú)人機(jī)使其距離地面目標(biāo)的距離足夠小而規(guī)劃出無(wú)人機(jī)的最佳跟蹤軌跡。

然而在多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，地面機(jī)動(dòng)目標(biāo)往往不止一個(gè)，需要一組異構(gòu)的機(jī)器人(無(wú)人車(chē)和無(wú)人機(jī))跟蹤多個(gè)機(jī)動(dòng)目標(biāo)，協(xié)同工作跟蹤機(jī)動(dòng)目標(biāo)。陳杰等人從優(yōu)化的角度出發(fā)，對(duì)無(wú)人機(jī)和無(wú)人車(chē)之間的協(xié)作進(jìn)行了分類(lèi)與分析，研究了無(wú)人機(jī)對(duì)多地面目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)的最優(yōu)路徑規(guī)劃問(wèn)題，考慮到無(wú)人機(jī)上傳感器的有效監(jiān)視范圍，利用帶有鄰域的Dubins旅行推銷(xiāo)員問(wèn)題(DTSPN)，解決多無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤監(jiān)測(cè)多地面目標(biāo)的問(wèn)題。

Vitaly Shaferman等人對(duì)城市環(huán)境中的多無(wú)人機(jī)協(xié)同搜索多機(jī)動(dòng)目標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，提出了一種分布式跟蹤方法，用于完成異構(gòu)多無(wú)人機(jī)對(duì)已知城市環(huán)境中多個(gè)可預(yù)測(cè)地面目標(biāo)的協(xié)同跟蹤任務(wù)，將環(huán)境區(qū)域劃分為可見(jiàn)區(qū)域和障礙物區(qū)域，建立一個(gè)聯(lián)合任務(wù)分配和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃優(yōu)化模型，并提出了一種求解該優(yōu)化問(wèn)題的分布式協(xié)同進(jìn)化遺傳算法。但是，該種采用多無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤的方式，需要增加傳感器的數(shù)量，極大地增加傳感器的觀(guān)測(cè)頻率，增加地面機(jī)動(dòng)目標(biāo)狀態(tài)更新的頻率，才減少機(jī)動(dòng)目標(biāo)因變速和快速轉(zhuǎn)向的不確定性。

因此，急需一種針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的多無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤方法，實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)對(duì)地面單個(gè)或多個(gè)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本公開(kāi)提出了一種針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的多無(wú)人機(jī)協(xié)同跟蹤方法，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的多次全覆蓋需求、實(shí)現(xiàn)含禁飛區(qū)域的野外目標(biāo)環(huán)境的搜索任務(wù)、以及多無(wú)人機(jī)在面對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)變速和快速轉(zhuǎn)向時(shí)進(jìn)行快速?zèng)Q策，提高多無(wú)人機(jī)對(duì)單個(gè)或多個(gè)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤效果。